大数据在城市空间结构研究中的应用进展

摘要：随着大数据的开发，其在城市地理学中的应用逐渐普及，尤其在城市空间结构研究中的应用日益增多。本文总结了大数据在城市空间结构研究中国内外研究成果，同时指出城市规划建设、城市功能区与边界确定、城市居民行为空间和消费空间、城市社会空间与社会网络成为研究的重要领域。今后，随着大数据利用的逐步深入，大数据研究方法有待于深化，研究领域也有待于扩展，但是大数据研究应该与传统研究方式的相互融合。

关键词：大数据；城市空间结构；应用

中图分类号：K901文献标识码：A文章编号：2095-7866(2017)04-009-07

工业经济论坛URLhttpwww.iereview.com.cnDOI10.11970j.issn.2095-7866.2017.04.002

ApplicationofBigDataonStudyofUrbanSpatialStructure

YananLi,HeXu,ChengxinWang

(CollegeofGeographyandEnvironment,ShandongNormalUniversity,Jinan250358,China)AbstractWiththedevelopmentofbigdata,itsapplicationinurbangeographyisbecomingmoreandmorepopular,especiallyinthestudyofurbanspatialstructure.Thispapersummarizestheresearchresultsofbigdatainurbanspatialstructureresearchathomeandabroad,andpointsoutthaturbanplanningandconstruction,urbanfunctionalareaandboundarydetermination,urbanresidents’behaviorspaceandconsumptionspace,urbansocialspaceandsocialnetworkbecomeanimportantresearchfield.Inthefuture,withthedeepeningofbigdatautilization,bigdataresearchmethodsneedtobedeepened,theresearchfieldalsoneedstobeexpanded,butthebigdataresearchshouldbeintegratedwiththetraditionalresearchmethods.

KeywordsBigData;UrbanSpatialStructure;Application

引言

随着中国城市化进程的加快推进,城市功能转型成为研究的热点。城市功能问题可以从结构剖析中得到答案。目前世界城市正经历着一场深刻的空间结构的重新构造[1]，城市空间结构成为城市地理学研究的经典课题。但是数据缺失、数据量少、数据失真等成为城市结构剖析和规律探寻的主要瓶颈。近年来，随着大数据的兴起，国内外对大数据及其在城市地理学中的应用进入探索和尝试阶段，但尚未形成公认的理论和方法。然而大数据在城市空间结构中的有效应用已经成为共识，并已进行了诸多有益尝试。

一、大数据为城市空间结构研究提供了有利契机

二战以来，西方的城市地理学几乎每隔十年就转变一次研究思潮，且不断与人类学、社会学、经济学等相关学科相互借鉴[2]，主要原因在于计算机、遥感、地理信息系统等技术方法的发展使得城市地理学研究手段日益多样化。从西方城市地理学的发展来看，数量方法和模拟分析使其在短期内发展壮大的原因[3]。数据制约着人文—经济地理学研究的深度和广度[4]。在此背景下，仅靠一味的学习、模仿已难以融入日益庞大复杂和多变的西方城市地理学理论潮流，也难以适应国内不断增长的学科理论需求[2]。

大数据时代的到来为中国城市地理学的研究提供了有利契机。“大数据是人们获得新的认知、创造新的价值的源泉，还是改变市场、组织机构，以及政府与公民关系的方法”[5]，它已经渗透至全球经济、政治、社会等的各领域。不仅有效提高了全球各部门、各行业的创造力、竞争力、生产效率与经济效益，更为重要的是，它改变了人们的生活、工作和思维方式，从而开启了这次重大的时代转型。目前大数据研究应用的广度和深度正在不断拓展，呈现出多学科参与的特点。而以城市居民的社会经济活动为主要研究对象的城市地理学与当前大数据建设和发展趋势具有高度的一致性，大数据的发展将会推动城市地理学的完善和发展，并为城市地理学的学科思维和研究方法带来挑战。正如甄峰[6]所言，大数据时代已经到来，并影响着人文地理与城市研究的理论、方法与技术体系。目前中国城市地理学发展处于黄金时期。要适应城市化多元快速发展需求、加快追赶世界学科发展前沿，就必须充分挖掘和发挥大数据效能。鉴于中国城市问题的复杂化、系统化和多元化，城市地理学科也应抓住大数据时代这一新的科学研究机遇期，从理论与方法体系上对不同层面地理要素、人文要素与城市问题展开深入研究，这对于理论创新与解决实际问题都具有非常重要的意义，对城市空间结构这一问题而言同样如此。

二、大数据在城市空间结构的重点应用领域

大数据的获取和应用已成为西方城市地理与社会学研究的热点内容，主要包括利用用户位置数据（来源于社交网络、公交刷卡、GPS定位、智能手机等）对城市居民流动与出行模式的研究[7,8]。利用大数据进行的研究已经涵盖了城市的空间组织、社会文化、旅游行为、企业经济、物流交通及规划管理等多个方面，且研究理念、方法和技术也逐渐系统化[6]。大数据成为准确把脉中国城市空间结构规律的重要工具。更快更准地摸清中国城市空间结构的演变规律，提出可操作性的对策，指导城镇化的健康发展，必须强化大数据的应用。目前，大数据技术已经在城市空间研究的如下领域得到初步应用。

（一）城市的规划建设

城市地理学大数据技术发展的机遇更多源自实践的需求。在城市规划管理方面，Roth[9]、Batty[10]利用城市监测和居民社交数据分析城市复杂巨系统，改变城市规划调研和编制方法，提升城市公共服务水平和政府管理效率等等。薛涛[11]以北京市“城六区”为案例地研究发现，居民签到活动主要聚集在三里屯片区等五个主要空间节点；网络签到活动空间与城市经济服务业分布均呈现明显相关性。一些研究者把城市规划设计与大数据相互结合，如通过对数据分布中异常值的揭示来发现城市的个性[12]。赵珂提出，大数据时代的地理设计，将促使自下而上、具有掌控大数据的能力、具有强大城市全方位环境适应能力的“大规划”出现[13]。以地块作为基本空间单元并以城市活动主体作为模拟对象的精细化模拟是未来城市模型研究的重要方向，大数据时代的到来也为其提供了重要发展机遇[14]。当前一个重要的案例就是结合云计算和物联网技术发展的智慧城市[15]。大数据遍布在智慧城市的方方面面,是促进智慧城市发展的重要引擎[16]。秦萧[17]的研究表明，智慧城市空间规划应该充分发挥网络、信息设备及传感器等大数据采集和挖掘分析技术在城市空间发展战略制定、质量评价、规模预测及用地布局等方面的革新作用。它试图从城市尺度(包括社区、主要功能区和城市其他尺度)，利用现代信息技术，对现代城市发展模式进行改进，逐渐向人们日常生活和空间布局推进[18]，其内容包括民生、环保、公共安全、城市服务、工商业活动等方面[19]。但其如何与人类智慧发展所需的各种条件和城市政策决策过程有效衔接起来，目前还处于起始阶段[20]。

（二）城市功能区与边界确定

城市功能区和边界是城市空间结构的重要组成部分，城市功能区是实现城市功能的载体，城市增长边界对于控制城市规模，促进城乡协调发展具有重要意义[21]。长期以来，这方面研究一般通过对实地调查、资料整理、土地利用分析来获得。大数据技术则促进了从社会经济活动来揭示城市的边界和功能区这一方面的研究。例如近来有学者利用大数据，通过兴趣点(PointofInterest,POI)来获得人们对某一感兴趣地区的访问次数，从而对城市的热点区和边界加以甄别[22]。Long等利用道路网络和POI数据，对中国城市边界进行了地块尺度刻画，综合考虑了物理设施和人类活动对应的兴趣点[23]。更为重要的是，由于大数据的采集可以是任意时段的，那么对空间利用的分析就可以是动态的过程。这相比传统分析方法来说无疑是一个巨大进步。

（三）城市居民行为空间和消费空间的研究

多元的数据获取渠道和丰富的数据量为研究城市居民的工作、交通出行和消费奠定了坚实的基础。随着移动互联网技术的广泛应用和发展，个人数据的产生、记录、存储已经成为商家和企业关注的热点，特别是智能手机数据、公交智能卡数据、签到数据、出租车轨迹数据等为交通和行为研究提供了丰富的数据来源，极大地推进了城市地理学中行为地理和交通地理学的研究[24]，如Jun等利用交通数据了解消费者行为[25]，Wang等(2014)通过电话记录比较城市和乡村居民经济行为的差异，Cai等则根据已经掌握的出租车轨迹来建立电动车充电桩方案[26]，龙瀛等(2012)利用公交卡数据来分析人们出行的行为规律[27]。

（四）城市社会空间与社会网络分析

随着以人为本理念的提出以及城市人口的激增，城市中的社会问题得到关注。而大数据在这一方面具有独特的优势，它通过社交媒体和社交网站表达和收集大众心声，成为获取上述话题研究所需数据的重要来源[17]，如包婷利用手机运营商提供的手机轨迹数据分析城市人口流动情况建立了多个模型,与传统方法相比该方案的成本更低、效率更高、覆盖人群更广[28]。Wakamiya[29]、Ming-Hsiang[30]等利用社交网络数据分析城市重大事件或活动研究具有不同人群特征的社会空间结构。一些学者利用大数据来研究城市的社会空间构成，如犯罪空间[31]。Wachowicz[32]对带有地理位置的twitter数据进行聚类分析，得出手机通话数据在地理空间分布中的离群值，从而分析出城市中的异常事件发生。在网络和计算机技术的推动下，人们还通过获取社会行为标签(Tag)来反映其社会行为和网络群体的关注[33]，并在社会网络图中辨识区域所在节点的特殊性和作用。但是如何从认知论的角度将标签信息化成为这一类研究的关键和难点。

三、大数据在城市空间结构应用的发展趋势

（一）城市空间结构继续方法论的创新

中国作为一个正处于上升期的发展中国家，城市地理学研究尽管滞后于发达国家，但是中国的独特国情为其提供了丰富的实践土壤。在当前新型城镇化和全球化背景下，中国城市发展的空间性和区域性问题值得特别关注[34]。在信息化时代，中国城市空间研究的研究方法和理论体系需要结合现实需求优化调整。城市空间不仅被当作一套物质化的“空间实践”来研究，也是一个思想性和观念性的领域，是“思维性图示”，城市地理需要把城市空间作为既真实又想象化，既是事实又很实际，既是结构化个体，又是集体的经验与动机来研究[35]。城市空间结构需尝试探索大数据应用于城市地理学的规范方法。

（二）大数据为中国城市空间结构研究创新和国际化提供了途径，但国内相关研究成果有待深入和系统化城市地理走向定性和定量研究相结合的局面，以提高解决复杂科学问题的能力[36]。

大数据作为科学研究的第四范式，能够支撑“人地交互”的传统地理学研究，并对地理学的方法论带来重大影响。人文地理与城市学科应该抓住大数据时代这一新的科学研究机遇期，依托中国这一巨大的大数据市场，从理论与方法体系上对不同层面地理要素与城市问题展开深入研究[6]，深化城市地理学的研究内容[37]。但是目前大数据应用研究以规划学者、社会学者、经济学者居多，城市地理学者相对较少，在城市空间结构研究领域的成果偏少，系统性不强。目前而言，对于“人”的关注、时空尺度研究和人文—自然综合研究等都是城市地理学近年来新的重要研究方向。对于重构和丰富城市地理学科理论、更好地指导城市的规划与建设都具有重要意义[2,6]。

（三）大数据与城市空间结构研究的结合亟待创新推进，且必须加强与传统研究方式的比较和融合

大数据产生带有“自发性”，并非针对理解地理事实而设计，数据本身与地理事实相差甚远[38]。正如Lazer[39]所言，不能仅仅关心数据大小，还应从分析误差原因入手。目前大数据在城市研究中刚刚起步，还存在一些问题和不足。从研究深度看，还处于实践摸索阶段，目前仅仅侧重城市的人和物的即时和短期管理，只强调时空大数据的表层信息挖掘，对于规律性研究较为缺乏。从研究的时间尺度看，静态研究、短时段研究较多，动态的长时期研究较少。从研究领域看，多是实用性研究，广泛应用于商业、社会领域，方法论等基础性研究较少。从研究方法看，单纯大数据方法较多，与其他研究方法衔接比较研究太少。因此，城市地理学者在面对大数据的“盛宴”时，既要激发大数据智慧，跳出学科发展固有框架，以应用研究需求为导向，以（大小）数据整合与融合为动力，推动城市理论研究与实践的创新发展，又需冷静应对，重新审视数据对学科发展与学术创新的价值。

基金项目

国家自然科学基金“高速交通对城市空间结构演变的影响与优化研究”（41371170）、山东省软科学计划项目“基于多元大数据的济南交通拥堵问题与优化对策研究”（2016RKB01438）资助

关注读览天下微信， 100万篇深度好文， 等你来看……